大芯徑多模石英光纖生產工藝探討論文

　　1大芯徑多模石英光纖的生產工藝

　　大芯徑多模石英光纖是對圓柱形光纖預製棒進行高溫加熱軟化熔縮、套管、拉制、塗覆、套塑、測試和包裝一系列流程製成的。光纖預製棒的製備是獲得高效能光纖的關鍵所在，在目前國內外相關光纖預製棒生產商（包括長飛，法爾勝，朗訊阿爾卡特和日本NTT公司）採用的生產工藝中,常見的大芯徑多模石英光纖預製棒製備工藝有改進化學氣相沉積（MCVD）、等離子體化學氣相沉積（PCVD）和軸向化學沉積（VAD）。下面分別介紹這3種製備方法。

　　1.1MCVD採用MCVD

　　製備光纖預製棒的過程中，將裝置處於封閉的超純態下，常用原料為SiCl4、CF2Cl2、SF6和C2F4，運載氣體通常為O2或Ar，反應裝置如圖1所示。運載氣體通入反應原料蒸發瓶後，攜帶沉積反應原料進入襯底管中，在加熱條件下進行沉積反應，在襯底管內形成一定厚度、成分為SiO2-SiF4的包層。包層沉積完成後先沉積纖芯，待纖芯沉積完成後再進行熔融和縮棒工藝，至此完成預製棒的製造過程。在製備階躍型多模光纖的預製棒製造工藝中，運載氣體流量為恆定值；在製備漸變型多模光纖的預製棒製造工藝中，要根據光纖折射率分佈來控制運載氣體的流量。另外，為保證光纖沉積的均勻性，在沉積反應過程中要以一定速度旋轉襯底管。MCVD製備光纖預製棒的優勢是裝置投資較低、操作執行較容易、工藝控制性好、易於實現複雜折射率光纖預製棒的製備。缺點在於MCVD方法屬於間歇性沉積工藝，存在材料均勻性較差、難以確保剖面的精確度、沉積速率較慢和原料利用率較低的問題。

　　1.2PCVD

　　PCVD方法為管內法的化學氣相沉積工藝，即在低壓下，採用微波腔體加熱，使諧振腔內的兩極板間電壓增高，促使管內反應氣體的殘餘正離子在電場中加速，使其部分電離、活化，生成一種非等溫等離子氣體。這些非等溫等離子氣體重新組合釋放熱能，釋放出的能量能促進原料氣體發生反應，反應生成的粒子擴散到襯底管內壁上形成沉積，反應機理與MCVD類似。PCVD通常用來製備光纖預製棒的芯棒部分，與套管工藝配合製成光纖預製棒。PCVD製備光纖預製棒的`優勢是生產裝置投資較低、可操控性強、屬於低溫氧化、易於實現複雜折射率光纖預製棒的製備、可以獲得折射率分佈接近理想狀態的光纖預製棒。缺點在於沉積速率低、要求原料純度高、屬於間歇性沉積工藝。

　　1.3VAD

　　VAD法制備光纖預製棒的工藝過程有沉積芯棒、脫水、燒結、初檢、延伸、末檢和外包。與MCVD和PCVD法相比，VAD法是先沉積芯棒，後沉積包層，具體工藝過程如圖3所示。提純的原料試劑以氣態形式被送入反應室發生水解反應，反映產物在基棒下端沉積，形成多孔型粉塵預製棒，芯棒較疏鬆。為了保證沉積產物的均勻性，芯棒以一定速度做旋轉運動；為了保證光纖預製棒的密實性，需對其進行燒結處理，熔縮成透明的光纖預製棒。VAD法制備光纖預製棒的優勢在於多噴燈同時沉積，沉積速率快，減少了光纖吸收損耗，避免了管內沉積導致水峰含量降低的問題，適合批次生產；缺點在於VAD法對沉積環境要求較高、很難實現精確的折射率分佈，且工藝程式多、操作複雜。光纖預製棒製備完成後對其進行拉制，常用的拉制工藝為管棒法拉制工藝和雙坩堝法拉制工藝，拉制工藝結束後先對光纖進行塗覆和套塑處理以增加光纖的機械強度，再進行封裝、檢驗和出庫，至此完成全部製備過程。

　　2大芯徑多模石英光纖的應用

　　大芯徑多模石英光纖本身具有的特點使其廣泛應用於通訊、空間應用和工業生產等場合。在短距離通訊和資料傳輸中，相比於普通單模石英光纖，大芯徑多模石英光纖在地面配線中可以減少光纖使用長度和節點數量，降低了光纖系統成本。另外，大芯徑多模石英光纖對插接件介面要求相對較低，減少了光傳輸分路數量，降低了光路調準要求，簡化了光電設計，提高了裝置的可維護性。在空間應用中，由於大芯徑多模石英光纖具有優良的抗輻照能力，透過在包層中摻氟可以提高光纖抗空間輻照能力和衛星空間在軌服役時間，傳輸訊號效能更加穩定。另外，由於具有傳輸損耗少，資料頻率隨溫度變化程度低以及電磁相容性優異的優點，使大芯徑多模石英光纖在高速資料傳輸的通訊衛星領域得到廣泛應用。在工業生產中，由於光纖可傳輸大功率能量，因此廣泛用於增材和減材場合中，比如鐳射焊接和鐳射切割。其中階躍型大芯徑多模石英光纖因其傳送能量分佈均一的優點，適用於薄物焊接和擴大焊核面積；大芯徑漸變型多模石英光纖適合厚物焊接。大芯徑多模光纖配合鐳射器可以對材料表面進行熱處理，增強或改善材料的效能，如細化晶粒、提高材料表面硬度，或在材料表面形成緻密的氧化層，提高其防腐能力。在醫療領域中，由於光纖具有傳遞光能、絕緣、不受微波干擾、可做一定尺寸的彎曲等特徵，因此可以用於製作醫療中的內窺鏡，具有對患者傷害輕、傷口創面小、便於醫生操作的特點。另外，大芯徑多模石英光纖可以傳輸高能量，能用來進行鐳射醫療，可以精確切割病變部位，如切割腎結石和前列腺炎。

　　3結束語

　　由於光纖效能主要取決於光纖預製棒的生產工藝，不同的生產工藝會對光纖傳輸損耗、溫度敏感性、抗輻照效能以及鐳射損傷閾值產生不同的影響。因此，本文介紹3種國內外通用的光纖預製棒生產工藝，簡要描述了不同光纖預製棒的沉積原理、包層與纖芯沉積的先後順序以及各類光纖預製棒生產工藝的優缺點。另外，本文還介紹了一些大芯徑多模石英光纖的應用場合，為科研工作者提供了光纖預製棒生產工藝的基本流程和生產原理知識。